Курсовая работа (т): Фоточувствительные приборы с зарядовой связью на МДП ИС

Если к матрице с МП добавить экранированную от света секцию хранения, то можно с достаточно высокой частотой 1-2 МГц перенести в неё из вертикальных регистров переноса матричный массив информации, устранив таким образом и диффузионную составляющую смаза. Таким образом в матрицах СКП можно уменьшить смаз до значений 0,01- 0,005%.

К недостаткам матриц с межстрочным переносом относится существенно меньшая площадь фоточувствительного элемента в сравнении с матрицами с переносом кадра. Фактор заполнения в матрицах с МП или СКП составляет 35-40 % по сравнению с матрицами с КП, так как более половины площади фоточувствительной поверхности ячейки закрыто от света за счёт встроенных в неё вертикальных регистров переноса.

Для компенсации этой особенности конструкции матриц МП на фоточувствительную область матрицы наносится массив микролинз, собирающих фотоны со всей площади ячейки. Эффективность сбора фотонов за счёт применения микролинзового растра увеличивается на 30 - 40 % [8].

а)  б)

Рисунок 4.2 - Конструкция матриц ФПЗС с межстрочным переносом

Основные технические характеристики типовой ФПЗС-матрицы:

Тип подложки: кремниевая;

Диапазон изменения времени накопления: 100 мкс … 20 мс;

Тип переноса: межстрочный;

Напряжение на регистрах переноса: +5 В;

Напряжение на затворе узла считывания: +5 В;

Число активных элементов: 2048 х 2048;

Размеры одного фоточувствительного элемента 4,88 мкм х 4,88 мкм;

Размеры кристалла: 10,0 мм х 10,0 мм;

Темновой видеосигнал: Uт = 2 мВ;

Диапазон рабочих температур: -10 … + 60 °С;

Спектральная характеристика ФПЗС матрицы представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Спектральная характеристика ФПЗС матрицы

где λ - длина волны падающего излучения;

η(λ) - квантовая эффективность, представляющая собой отношение среднего числа фотоэлектронов nф, обусловленных поглощением среднего числа фотонов Nф, к числу этих фотонов:

(4.1)

Среднее число фотоэлектронов, образующихся в одном элементе ФПЗС (МДП-конденсаторе) в единицу времени под воздействием падающего монохроматического потока Фе,l(λ), будет определяться выражением:

(4.2)

где h = 6,626 ×10-34 Дж*с - постоянная Планка, с = 3*108 м/с - скорость света, νt - временная частота света, τ(λ) - спектральная плотность коэффициента пропускания материалов, через которые проходит входное излучение, прежде чем попасть в полупроводник [9].

4.2 Охлаждение

Для охлаждения применяется модуль Пельтье термоэлектрический (микромодуль). В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов - одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются - или наоборот. Таким образом, электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур (рис. 4.4) [10].

Рисунок 4.4 - Термоэлектрический микромодуль Пельтье

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К.

В данной работе в качестве элемента охлаждения был выбран однокаскадный стандартный термоэлектрический модуль Пельтье (рис. 4.5):

Рисунок 4.5 - Однокаскадные стандартные ТЭМ

Таблица 4.1 - Технические характеристики PE-017-10-13

Все параметры указаны для температуры горячей стороны Т=298 К [11].

В таблице использованы следующие обозначения: , Umax, Pc max - максимальные ток, напряжение на элементе и максимальная мощность соответственно (с точностью ± 5%); , B - ширина и длинна элемента (± 0,2 мм); - высота элемента (± 0,02 мм); ас - сопротивление элемента (± 10%).

.4 Шумы ФПЗС

Рассмотрим собственные шумы ФПЗС: фотонные шумы, шумы темнового тока и шумы переноса. Уровень шумов ФПЗС принято оценивать среднеквадратическим числом шумовых электронов N , представляющих собой среднеквадратическое отклонение числа носителей в каждом зарядовом пакете, переносимом в ФПЗС.

Природу фотонного шума составляют флуктуации квантов в световом потоке, облучающем фоточувствительную поверхность. За фотонный шум можно принять среднеквадратическое значение числа фотоэлектронов Nph , накопленных на элементе за полное время накопления, т.е. за время кадра или полукадра. Тогда в расчете на один зарядовый пакет [12]:

(4.1)

Рассчитаем N0 и Nф:

чем выше освещенность, тем менее заметен фотонный шум; чем освещенность ниже, тем он более заметен (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 - Зависимость количества квантов упавших на электрод и шумовых квантов от освещенности фотопреобразователя

Темновой ток, являющийся результатом термической генерации носителей заряда, заполняющих обедненную область, сопровождается дополнительными дробовыми шумами, уровень которых в расчете на зарядовый пакет можно определить по формуле:

 (4.2)

где Iт - темновой ток ; f0 - тактовая частота (f0 = 1 МГц), e - заряд электрона (e = 1.6∙10-19 Кл).

Рассчитаем темновой ток и темновой шум в расчете на зарядовый пакет:

Рисунок 4.7 - Зависимость теплового шума от температуры

Источниками шумов переноса являются флуктуации зарядов, захватываемых ловушками. Можно показать, что уровень шумов переноса определяется как [13]:

 (4.3)

где n - число трехфазных переносов, определяемое количеством элементов матрицы по горизонтали и равное 2048.

Рассчитаем максимальное значение Nn :

Очевидно, что число шумовых электронов Nп будет максимальным для пакетов, наиболее удаленных от выходного регистра.

Тепловой шум входной цепи встроенного усилителя зависит от величины ее емкости, являющейся одновременно выходной емкостью ПЗС Cвых (≈0.1 пФ). Тогда:

 (4.4)

где k0 - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

Рассчитаем Nв.ц.:

Рассмотренные источники шумов в ФПЗС являются независимыми. Поэтому полный шум в выходном сигнале определяется суммой дисперсий числа электронов, вносимых всеми источниками [3]:

(4.5)

Рассчитаем N:

Рассмотрим отношение квантов упавших на электрод к полному шуму:

Тогда шумовое напряжение матрицы ФПЗС находится по формуле:

 (4.6)

.5 Применение

Космос, астрономия. Матричные ФПЗС нашли применение в телескопах наземного и бортового базирования, в бортовой аппаратуре искусственных спутников Земли (ИСЗ) для наблюдения из космоса. Так допустим телевизионная система (ТВС) пролетного космического аппарата, предназначенная для решения сложной задачи обнаружения в автоматическом режиме кометы и ее ядра, автосопровождения выбранного объекта и передачи на землю спектрозональных изображений с максимальной детальностью. Телевизионная система образует с автоматической стабилизированной платформой замкнутый контур самонаведения, т.е. ТВС не только должна передавать изображение кометы, но и обеспечивать функции наведения. По этой причине в состав ТВС входят два блока: телевизионная узкоугольная камера с длиннофокусным (1200 мм) объективом и телевизионный датчик наведения. Оба блока выполнены по двухканальной схеме на охлаждаемых матрицах типа ФПЗС1М.

Медицина. В офтальмологии используется прибор кератометр, с помощью которого получают информацию о форме роговицы глаза: глаз фотографируют с одновременным наложением ортогональной сетки, затем на фото-пленке измеряют координаты искривленной поверхностью роговицы сетки и вводят данные в ЭВМ для расчета формы контактной линзы. Замена фотоаппарата на линейный ФПЗС позволила вводить в ЭВМ информацию о реальном масштабе времени с высоким разрешением (снимают точки по диаметру, затем, поворачивая ФПЗС на определенный угол, получают сведения обо всей сфере глаза).

Аппаратура эксперимента. Линейные и матричные ФПЗС нашли применение в лазерной технике: в аппаратуре, регистрирующей распределение плотности энергии, в многоканальном анализаторе спектра флуоресценции, возбуждаемой импульсном лазером. В автоматизированном измерителе относительного распределения энергии используется среднеформатная матрица, на которую пучок излучения лазера с длиной волны 0,4-1,1 мкм попадает через узкополосный светофильтр и длиннофокусный объектив (800 мм).

Телекиноаппаратура. При передаче по сети ТВ-вещания кинофильмов вертикальная развертка осуществляется в результате протяжки кинопленки мимо линейного ФПЗС. Сигнал на выходе ФПЗС представляет последовательность строк, и для получения чересстрочной развертки в телекинопередатчик необходимо ввести ЗУ с памятью на кадр. Помимо этого проблемой становятся видеодефекты и неравномерность чувствительности ФПЗС. Видеодефект, проявляющийся в матричном ФПЗС в виде светлой точки, в данном случае даст светлую полосу на изображении, также подчеркивается при вертикальной развертке любая неоднородность чувствительности. Для компенсации локальных видеодефектов применяют способ запоминания дефектных элементов с последующей заменой их интерполяцией сигналов с соседних элементов.

Неравномерность чувствительности может быть тоже скомпенсирована, но для этого приходится калибровать ФПЗС: записывать в ЗУ темновые и световые (при равномерной засветке) сигналы со всех ячеек ФПЗС и вычислять величины, обратно пропорциональные чувствительности каждой ячейки. Затем в рабочем режиме выходные сигналы с ФПЗС поступают на вычитающее устройство, где из них вычитают темновые составляющие, и на усилитель с переменным коэффициентом усиления, в котором осуществляется умножение на хранившийся в ЗУ величины, обратно пропорциональные чувствительности.

Ввод графической информации в ЭВМ. Простым вариантом ввода графической информации в ЭВМ является устройство для считывания индексов с конвертов, реализованное на быстродействующем линейном ФПЗС типа К1200ПЛ5. К такому же типу устройств для считывания малоразмерных (по высоте) объектов, не требующих вертикальной развертки, относится и опознаватель кода товарной продукции [1].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе были изучены принцип работы и процессы, протекающие в ПЗС. Рассмотрены строение и физические явления, происходящие в МОП емкостях: накопление и перенос заряда. Исследованы материалы, необходимые для создания ФПЗС элементов. Изучена технология изготовления ФПЗС и её элементов. Исследована схемы организации и характеристики типичных ФПЗС. Рассматриваемая нами ФПЗС матрица имеет следующие характеристики:

Тип подложки: кремниевая;

Диапазон изменения времени накопления: 100 мкс … 20 мс;

Тип переноса: межстрочный;

Напряжение на регистрах переноса: +5 В;

Напряжение на затворе узла считывания: +5 В;

Число активных элементов: 2048 х 2048;

Размеры одного фоточувствительного элемента 4,88 мкм х 4,88 мкм;

Размеры кристалла: 10,0 мм х 10,0 мм;

Спектральный диапазон:0,4 - 0,9 мкм;

Диапазон рабочих температур: -10 … + 60 °С.

В данной работе в качестве элемента охлаждения был выбран однокаскадный стандартный термоэлектрический модуль Пельтье PE-017-10-13 (PE - наименование типа (Peltier element); 017 - количество пар термоэлементов;

- поперечное сечение ветви; 13 - высота ветви термоэлемента), его технические характеристики приведены в таблице 4.1. Рассмотрены и рассчитаны собственные шумы ФПЗС: фотонные шумы, шумы темнового тока и шумы переноса в расчёте на один зарядовый пакет

Рассчитанная в данной работе ФПЗС матрица может найти свое применение в телекиноаппаратуре, цифровых фотоаппаратах, в специализированных установках, в которых необходимо получить достаточно четкое изображение с дальнейшим вводом их в ЭВМ (электронная вычислительная машина) для последующей обработки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Ф. П. Пресс. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991. - 264 с.

Главный редактор А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. 1988. - 704 с.

Ю.Р. Носов, В.А. Шилин. Основы физики приборов с зарядовой связью. - М.: Наука. 1986. - 318 с.